Ứng dụng khai phá dữ liệu trong quản lý giao thông
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.71 MB, 52 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Vũ Đức Việt
ỨNG DỤNG KHAI PHÁ DỮ LIỆU TRONG
QUẢN LÝ GIAO THÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HÀ NỘI-2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Vũ Đức Việt
ỨNG DỤNG KHAI PHÁ DỮ LIỆU TRONG
QUẢN LÝ GIAO THÔNG
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số: 60480104
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HÀ NAM
HÀ NỘI-2015
LỜI CAM ĐOAN
‘Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ một công trình nào khác. Tôi đã trích dẫn đầy đủ các tài liệu tham khảo,
công trình nghiên cứu liên quan ở trong nước và quốc tế. Ngoại trừ các tài liệu tham khảo
này, luận văn hoàn toàn là sản phẩm của riêng tôi.’
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2015
Ký tên ........................................................................
i
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn và lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS. Nguyễn Hà
Nam, Ths. Lữ Đăng Nhạc đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá
trình thực hiện luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và nhà trường đã luôn tạo điều kiện thuận lợi
nhất cho chúng tôi học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè của tôi. Những người luôn giành thời
gian ở bên cạnh quan tâm, động viên, và giúp đỡ tôi hết mình trong suốt quá trình học
tập cũng như làm luận văn tốt nghiệp này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2015
Ký tên ........................................................................
ii
Mục lục
1 Tổng quan
1.1 Hiện trạng giao thông tại Việt Nam . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Các giải pháp hỗ trợ cho người tham gia giao thông . . . . . . . . .
1.3 Giải pháp đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Các kiến thức cơ sở
2.1 Tác tử và hệ đa tác tử . . . . . .
2.1.1 Tác tử . . . . . . . . . . .
2.1.2 Môi trường . . . . . . . .
2.1.3 Tác tử thông minh . . . .
2.1.4 Hệ thống đa tác tử . . . .
2.2 Hệ thống Vanet . . . . . . . . . .
2.3 Công cụ mô phỏng mạng VANET
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
- VANETsim
3 Các giải thuật tìm đường
3.1 Những thuật toán cơ bản . . . . . . . . .
3.1.1 Giải thuật Djkstra . . . . . . . .
3.1.2 Giải thuật A* . . . . . . . . . . .
3.2 Các thuật toán tìm đường nâng cao . . .
3.2.1 Giải thuật di truyền . . . . . . .
3.2.1.1 Giới thiệu . . . . . . . .
3.2.1.2 Giải thuật di truyền đơn
3.2.2 Giải thuật tối ưu bầy đàn . . . .
3.2.3 Giải thuật đàn kiến . . . . . . . .
3.3 Lựa chọn thuật toán . . . . . . . . . . .
3.3.1 Thuật toán Ant System . . . . .
3.3.2 Thuật toán Ant Colony System .
iii
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
giản
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
3
3
4
5
.
.
.
.
.
.
.
7
7
7
8
9
10
11
13
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
16
16
16
17
18
18
18
19
20
22
24
24
26
MỤC LỤC
iv
4 Thực nghiệm và các kết quả
4.1 Áp dụng Ant Colony System cho vấn đề tìm đường đi
4.1.1 Hệ thống tổng quan . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Cải tiến hệ thống với Ant colony System . . .
4.2 Thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Môi trường thực nghiệm . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Các thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
28
28
29
32
32
33
36
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5 KẾT LUẬN
41
5.1 Các công việc đã làm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 Hướng nghiên cứu trong tương lai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Danh sách hình vẽ
1.1
Các công cụ tìm đường . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1
Tác tử trong môi trường của nó. Tác tử sẽ lấy thông tin từ môi trường
và phản ứng lại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Ví dụ minh họa về mạng VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Công cụ mô phỏng VANETsim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2
2.3
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
Mô hình hệ thống Vanetsim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mô hình hệ thống Vanetsim với Ant Colony System . . . . . . . . .
Biểu đồ luồng của thuật toán ACS cho vấn đề tối ưu hoá đường đi .
Thực nghiệm với bản đồ thành phố Berlin . . . . . . . . . . . . . .
Thực nghiệm với bản đồ thành phố Hà Nội . . . . . . . . . . . . . .
Điểm tắc nghẽn trên bản đồ Berlin . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Điểm tắc nghẽn trên bản đồ Hà Nội . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kết quả chỉ dẫn đường đi của thuật toán A* trên bản đồ Berlin . .
Kết quả chỉ dẫn đường đi của thuật toán ACS trên bản đồ Berlin .
Kết quả chỉ dẫn đường đi của thuật toán A* trên bản đồ thành phố
Hà Nội . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.11 Kết quả chỉ dẫn đường đi của thuật toán ACS trên bản đồ thành phố
Hà Nội . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v
.
.
.
.
.
.
.
.
.
5
28
30
32
33
34
35
36
37
37
. 38
. 39
Danh sách bảng
4.1
4.2
Kết quả thực nghiệm trên bản đồ thành phố Berlin . . . . . . . . . . 38
Kết quả thực nghiệm trên bản đồ thành phố Hà Nội . . . . . . . . . 40
vi
Danh mục từ viết tắt
ACS
ACO
AS
VANET
MANET
RSU
OBU
PSO
GA
Ant Colony System
Ant Colony Optimization
Ant System
Vehicular Ad Hoc Networks
Mobile Ad Hoc Networks
Road Side Unit
On Board Unit
Particle Swarm Optimization
Genetic Algorithm
vii
MỞ ĐẦU
Vận chuyển hành khách, hàng hóa và thông tin luôn đóng một vai trò quan trọng
trong xã hội hiện đại. Các hoạt động kinh tế trong thời đại hiện nay gắn chặt với
giao thông, chính vì thế tại những quốc gia phát triển, giao thông luôn được quy
hoạch và đầu tư phát triển đúng mức. Ngoài ra ở những nước phát triển, tầm nhìn
chiến lược về phát triển cơ sở hạ tầng giao thông luôn được ưu tiên đúng mức, nhờ
vậy những nước phát triển luôn có được hệ thống giao thông ổn định, phù hợp trong
nhiều năm. Còn ở những nước đang phát triển như Việt Nam, tình trạng cơ sở hạ
tầng giao thông không theo kịp với sự phát triển kinh tế xã hội cũng như sự bùng
nổ dân số và gia tăng các phương tiện giao thông, gây cản trở và kìm hãm sự phát
triển của cả quốc gia. Hiện nay, thực trạng giao thông ở Việt Nam đang là một vấn
đề nhức nhối đối với những người tham gia giao thông. Theo thống kê từ cục thống
kê, số lượng các phương tiện mới phát sinh tham gia giao thông ở Việt Nam đều
tăng theo từng năm, trong khi đó hệ thống giao thông ở Việt Nam chưa đáp ứng
được sự bùng nổ về các phương tiện tham gia giao thông cũng như lưu lượng giao
thông hiện tại. Ở các đô thị lớn như thủ đô Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh ...,
tình trạng này còn phức tạp hơn, chưa kể đến những hệ thống đường, biển báo, vạch
kẻ đường hỗn độn, thiếu nhất quán, không theo quy chuẩn chung nào và mang đặc
tính giải pháp tình thế của các nhà chức trách. Ngoài ra ý thức tham gia giao thông
của người dân chưa tốt cũng dẫn đến hậu quả là sự gia tăng tình trạng tắc đường,
tai nạn giao thông và ô nhiễm môi trường. Điều này dẫn đến những ảnh hưởng trực
tiếp về sức khỏe, làm tốn kém thời gian và có thể ảnh hưởng đến tính mạng của
những người tham gia giao thông. Để hỗ trợ tối đa người tham gia giao thông có
thể di chuyển hiệu quả trên quãng đường của mình, đã có nhiều hình thức cũng như
biện pháp được đề ra. Tại Mỹ và gần đây ở Việt Nam, các bản tin về giao thông
luôn cập nhật tin tức về tình trạng giao thông trên đường để giúp người tham gia
giao thông lựa chọn được quãng đường tối ưu, hiện nay một số hãng công nghệ lớn
đang phát triển mô hình ô tô tự lái và các hệ thống hỗ trợ cập nhật thời gian thực
1
DANH SÁCH BẢNG
2
cho các lái xe khi tham gia giao thông. Tuy nhiên những cách tiếp cận trên chỉ có
thể áp dụng tại một số nơi ở Việt Nam hoặc chưa có khả năng áp dụng trong tương
lai gần. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng mô hình
giao thông thực tế kết hợp thuật toán tối ưu quãng đường để đưa ra lựa chọn hợp
lý nhất cho người tham gia giao thông.
Nội dung luận văn này được chúng tôi trình bày như sau:
• Chương 1: Tổng quan
• Chương 2: Các kiến thức cơ sở
• Chương 3: Các thuật toán tìm đường
• Chương 4: Thực nghiệm và các kết quả
• Chương 5: Kết luận
Chúng tôi đưa ra cái nhìn khái quát về hiện trạng hệ thống giao thông Việt Nam,
các giải pháp, nghiên cứu về giao thông tại Chương 1. Ở Chương 2, chúng tôi trình
bày các kiến thức cơ sở liên quan tới hệ thống đa tác tử, tác tử thông minh, mạng
VANET, đây là những kiến thức cơ sở liên quan tới môi trường thực nghiệm của
chúng tôi. Chúng tôi trình bày những thuật toán tìm đường truyền thống và thuật
toán chúng tôi áp dụng ở Chương 3. Các thực nghiệm và kết quả thực nghiệm với hệ
thống Vanet với thuật toán chúng tôi áp dụng được chúng tôi trình bày ở Chương
4. Cuối cùng, chúng tôi đưa ra nhận xét về những kết quả đạt được và các hướng
phát triển trong tương lai tại phần Kết luận ở Chương 5 của luận văn.
Chương 1
Tổng quan
1.1
Hiện trạng giao thông tại Việt Nam
Theo báo cáo của uỷ ban an toàn giao thông quốc gia, số lượng người thiệt mạng
do tai nạn giao thông những năm gần đây đều ở con số lớn từ 9000 đến 13000 người
thiệt mạng hàng năm. Trong đó đáng chú ý là tai nạn giao thông đường bộ chiếm
tỷ trọng rất lớn từ 97% đến 99%, tai nạn liên quan đến ô tô, xe máy chiếm trên 70%
tổng số vụ trên cả nước. Ngoài ra tình trạng ùn tắc thường xuyên xảy ra tại các
thành phố lớn vào những giờ cao điểm, những ngày nghỉ lễ, nghỉ tết gây ảnh hưởng
nghiêm trọng tới thời gian đi lại và sự an toàn của người tham gia giao thông. Trước
thực trạng đáng buồn trên, có thể kể đến một vài nguyên nhân sau:
• Nhiều dự án xây dựng liên tục được triển khai ở những thành phố lớn như Hà
Nội hay Hồ Chí Minh dẫn tới một số tuyến đường bị cấm hoặc thu hẹp làn
đường lại làm gia tăng các điểm ùn tắc giao thông 1 .
• Hạ tầng giao thông của nước ta đã lạc hậu và quy hoạch thiếu khoa học, không
đáp ứng được nhu cầu đi lại của người dân. Theo báo cáo của bộ giao thông
vận tải, số lượng các phương tiện tham gia giao thông đang có triều hướng
tăng mạnh. Tại Hà Nội, số lượng phương tiện giao thông đăng ký mới trong
ba quý đầu năm 2015 là 5.5 triệu phương tiện. Tổng số lượng phương tiện
tham gia giao thông ở Hà Nội đã gấp 6 lần lưu lượng chịu tải của hệ thống
giao thông trên thành phố.
1
/>
3
1.2. Các giải pháp hỗ trợ cho người tham gia giao thông
4
• Ý thức của người dân đối với việc thực hiện nội quy giao thông chưa thực sự
tốt, những lỗi thường mắc phải chủ yếu là vượt đèn đỏ, đi sai làn đường...
Những lỗi này góp phần gia tăng tình trạng ách tắc giao thông vào giờ cao
điểm.
• Các thức quản lý giao thông đô thị ở Việt Nam còn chưa chặt chẽ, trang thiết
bị kỹ thuật lạc hậu, thiếu những giải pháp giao thông có thể hỗ trợ tốt cho
người quản lý và người tham gia giao thông một cách thiết thực và trực tiếp
nhất.
Trước những thực trạng và nguyên nhân ở trên của ngành giao thông vận tải nước
nhà, việc đưa ra những giải pháp hợp lý là rất cần thiết và cấp bách.
1.2
Các giải pháp hỗ trợ cho người tham gia giao
thông
Hiện nay, có một số giải pháp được đưa ra nhằm trờ giúp cho người tham gia giao
thông phổ biến như kênh VOV Giao thông do đài VOV thành lập 2 , đây là kênh
thông tin cập nhật tình trạng giao thông trên các tuyến đường ở Việt Nam. Tuy
nhiên phạm vi hoạt động chủ yếu của kênh VOV giao thông chỉ tập trung chính
vào thành phố và dựa nhiều vào sự phản hồi từ những lái xe đi trên đường, ngoài
ra đây cũng chỉ là kênh thông tin trợ giúp đưa ra thông tin bổ ích cho những lái xe
chứ chưa thể hỗ trợ trực tiếp cho người tham gia giao thông. Ngoài giải pháp hỗ trợ
thông tin theo kênh radio, người tham gia giao thông cũng có thể nhận được sự hỗ
trợ từ các công cụ bản đồ như Google Map 3 , Bing Map4 , Here Map5 ... tới từ các
tập đoàn công nghệ thông tin nổi tiếng trên thế giới hay Vietmap 6 - một giải pháp
tới từ Việt Nam như hình 1.1. Tuy nhiên các giải pháp tới từ các công cụ bản đồ
này chỉ đơn thuần kết hợp thông tin vệ tinh GPS và bản đồ số để đưa ra những chỉ
dẫn cho người dùng trong việc xác định đường đi mà không thể kết hợp thêm thông
tin về lưu lượng xe, hiện trạng giao thông trên đường để đưa ra chỉ dẫn cho người
tham gia giao thông. Ngoài ra hiện nay đã có một số nhà khoa học nghiên cứu về
2
/>4
/>5
6
3
1.3. Giải pháp đề xuất
5
vấn đề mô phỏng giao thông để từ đó tìm ra vị trí xây dựng cũng như phân luồng
hiệu quả giao thông. Trên thế giới đã có một số nhóm nghiên cứu về vấn đề tìm
đường đi ngắn nhất nhưng thường chỉ áp dụng cho một bản đồ xác định và phần
nhiều vẫn có thiên hướng nghiên cứu về công cụ mô phỏng.
Hình 1.1: Các công cụ tìm đường
1.3
Giải pháp đề xuất
Trước thực trạng giao thông ở Việt Nam nói trên, để xây dựng được một giải pháp
giao thông đồng bộ có tính ứng dụng cao cần phải có sự phối hợp của nhiều phía,
từ các cơ quan quản lý giao thông cho tới những người tham gia giao thông. Trong
khuân khổ của luận văn này chúng tôi quyết định nghiên cứu về những thuật toán
dẫn đường cho hệ thống mô phỏng giao thông trên các thành phố nhằm tối ưu hóa
1.3. Giải pháp đề xuất
6
chi phí đi đường cho người dân khi tham gia giao thông, qua đó phần nào gián tiếp
có thể giải quyết được bài toán ách tắc giao thông tại những thành phố lớn bởi
những lý do:
• Tiết kiệm được thời gian của người tham gia giao thông.
• Quãng đường đi lại giảm qua đó giảm được lượng nhiên liệu tiêu thụ và lượng
khí thải khi tham gia giao thông của các phương tiện.
• Tiết kiệm các chi phí đi lại cho người dân.
Khi kết quả của luận văn được áp dụng trong thời đại Internet-Of-Things (IOT),
người tham gia giao thông sẽ có thêm một lựa chọn hỗ trợ mình khi tham gia giao
thông trên đường.
Chương 2
Các kiến thức cơ sở
Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày những kiến thức cơ sở về tác tử, tác tử
thông minh, kiến thức về mạng VANET. Đây là những kiến thức cơ bản xây dựng
lên công cụ VANETsim - công cụ được chúng tôi sử dụng trong luận văn của mình.
2.1
2.1.1
Tác tử và hệ đa tác tử
Tác tử
Theo [9], một tác tử (agent) là một hệ thống máy tính có khả năng tự hoạt động
độc lập thay mặt cho người dùng hoặc người chủ của nó để nhận biết cái gì cần
thiết phải làm để tương thích với mục tiêu đã định trước. Các tác tử có thể cảm
ứng môi trường và phản ứng lại môi trường. Sự tương tác này diễn ra liên tục và
không có giới hạn. Thông thường, một tác tử sẽ trang bị một tập các hành động.
Tập hợp các hành động thể hiện ở khả năng phản ứng lại với môi trường của các tác
tử. Tuy nhiên, không phải tất các hành động của chúng có thể thực hiện được trong
tất cả các trạng thái. Vì thế mỗi hành động phải có các tiền điều kiện xác định các
điều kiện thích hợp để nó có thể áp dụng. Hình 2.1 đưa ra một cái nhìn trừu tượng
về tác tử. Trong hình trên, chúng ta có thể thấy được hành động đưa ra được tạo
bởi tác tử để tác động đến môi trường của nó. Vấn đề quan trọng với một tác tử là
chúng phải đưa ra được quyết định cho những hành động nào cần phải được thực
hiện để đạt được mục tiêu mà nó được thiết kế. Kiến trúc tác tử thực ra là kiến trúc
hệ thống phần mềm thiết kế cho việc ra quyết định trong một môi trường.
7
2.1. Tác tử và hệ đa tác tử
8
Hình 2.1: Tác tử trong môi trường của nó. Tác tử sẽ lấy thông tin từ môi trường và
phản ứng lại
2.1.2
Môi trường
Như đã nói ở trên, kiến trúc tác tử thực ra là kiến trúc phần mềm cho hệ thống
sinh quyết định được thiết kế trong một môi trường. Tính phức tạp của tiến trình
sinh quyết định tùy thuộc vào thuộc tính của môi trường. Theo [6] thì môi trường
có thể phân loại dựa vào thuộc tính như sau:
• Tiếp cận và không thể tiếp cận: Môi trường tiếp cận được là môi trường mà
mỗi tác tử có thể đạt được đầy đủ chính xác và cập nhật kịp thời các thông
tin về trạng thái môi trường. Phần lớn môi trường trong thực tế đều là loại
không thể tiếp cận được.
• Môi trường tĩnh và môi trường động: Môi trường tĩnh là môi trường mà có
thể đặt giả định là môi trường không thay đổi ngoại trừ các tác động của tác
tử. Ngược lại, môi trường động là môi trường mà có sự vận động bên trong
nó tức là nó có thể tự thay đổi không phụ thuộc vào các tác động của tác tử.
Môi trường thực tế là một môi trường động, có thể ví dụ như mạng Internet.
• Môi trường rời rạc và môi trường liên tục: Môi trường rời rạc là môi trường
mà có hữu hạn các hành động và tri giác trong đấy. Ví dụ, môi trường trong
cờ là rời rạc, môi trường trong giao thông là liên tục. Môi trường rời rạc thì
dễ thiết kế các tác tử hơn môi trường liên tục.
2.1. Tác tử và hệ đa tác tử
9
• Môi trường có phân đoạn hay không phân đoạn: Trong môi trường phân đoạn,
hoạt động của tác tử lệ thuộc vào số lượng các đoạn rời rạc mà không liên kết
với các hoạt động của tác tử trong phân đoạn khác. Theo các chuyên gia, môi
trường có phân đoạn đơn giản hơn vì các tác tử có thể quyết định hành vi của
nó dựa trên phân đoạn hiện tại. Nó không cần quan tâm đến giao tiếp giữa
phân đoạn này với phân đoạn kế tiếp của nó.
Nhìn chung, hầu hết các môi trường đều là không truy cập được, không xác định,
động và liên tục. Những thuộc tính của môi trường đóng một vai trò quyết định đến
độ phức tạp của tiến trình thiết kế tác tử. Tuy nhiên, không có nghĩa đó là những
nhân tố duy nhất mà chỉ đóng một phần. Phần quan trọng chính là sự tương tác
giữa tác tử và môi trường.
2.1.3
Tác tử thông minh
Tác tử thông minh là tác tử có khả năng hoạt động linh hoạt và mềm dẻo để hoàn
thành mục tiêu được giao. Theo [8], tác tử thông minh là tác tử cần có khả năng
thực hiện các hành vi đặc biệt như phản ứng (reactivity), chủ động (proactivity) và
cộng tác xã hội (social ability).
• Phản ứng: Khả năng phản ứng của tác tử là khả năng phản ứng lại những
thay đổi của môi trường đúng lúc nhằm đáp ứng mục tiêu đã được định trước.
• Chủ động: Khả năng chủ động của tác tử là khả năng luôn chủ động tìm cách
đạt được mục tiêu đã được giao. Chủ động ở đây là sinh ra và hướng đến mục
tiêu chứ không phải thực hiện mãi theo các sự kiện xảy ra. Tác tử cần phải kết
hợp và cân bằng cả hai đặc điểm: phản xạ và chủ động một cách thích hợp.
• Khả năng cộng tác: Khả năng xã hội của tác tử là khả năng tương tác với
các tác tử khác thậm chí với con người nhằm đáp ứng được những mục tiêu
đã định trước. Thế giới thực là một môi trường đa tác tử. Do vậy chúng ta
không thể chỉ hướng đến mục tiêu đặt ra mà không quan tâm đến các tác tử
khác. Để những tác tử trong một hệ đa tác tử tương tác (interact) với nhau
thì đòi hỏi chúng phải có khả năng hợp tác (cooperate), khả năng phối hợp
(coordinate) và khả năng đàm phán (negotiate) với nhau.
2.1. Tác tử và hệ đa tác tử
2.1.4
10
Hệ thống đa tác tử
Theo [9], hệ thống đa tác tử (multiagent system) là hệ thống bao gồm các tác tử
tương tác với nhau, trong đó các tác tử sẽ hoạt động tự chủ với những động cơ và
mục tiêu khác nhau. Hệ đa tác tử có lợi trong thực tế bởi nó giúp con người có thể
giải quyết được những bài toán khó hiện nay mà các hệ thống đồng nhất không giải
quyết được như dự báo thiên tai, mô phỏng lại các cấu trúc trong xã hội... Hiện nay,
các hệ đa tác tử được nghiên cứu, thử nghiệm và sử dụng hiện nay phần lớn là các
tác tử phần mềm.
Như vậy, hệ đa tác tử là một tập hợp các tác tử cùng chia sẻ một môi trường
trong đó: Thông tin hoặc khả năng giải quyết vấn đề của từng tác tử là hạn chế,
không đầy đủ. Không có sự điều khiển tập trung cho toàn hệ thống. Dữ liệu phân
tán trên những thành phần khác nhau của hệ thống. Quá trình tính toán được thực
hiện không đồng bộ. Một hệ đa tác tử thường có rất nhiều tính chất mà chúng ta
cần suy xét khi cài đặt, tuy nhiên, hệ đa tác tử cơ bản thường phải có những tính
chất quan trọng như tính tự chủ (autonomy), tầm nhìn địa phương (local views),
tính phân tán (decentralization)
• Tính tự chủ: mỗi tác tử thường phải có tính tự chủ riêng của mình (nghĩa là
nó có thể tự đưa ra quyết định của bản thân tác tử đó khi có tín hiệu vào
hoặc sự kiện nào đó xảy ra).
• Tầm nhìn địa phương: mỗi tác tử thường chỉ cần có cái nhìn cục bộ và nắm
giữ một phần tri thức của hệ thống thay vì toàn bộ các tri thức hiện có trong
hệ thống, nếu không hệ thống sẽ trở nên quá phức tạp để có thể mô phỏng
những hoạt động giống như nó đang diễn ra trong thực tế.
• Tính phân tán: các tác tử thường được phân tán, sẽ không có tác tử nào nắm
quyền điều khiển các tác tử còn lại, nếu không hệ thống sẽ trở thành một hệ
thống đồng nhất, và hiệu năng sẽ bị giảm đi rất nhiều so với những gì chúng
ta mong muốn.
Ngoài ra, các tác tử có thể trao đổi tri thức thông qua một ngôn ngữ chung,
được xem như là phương thức trao đổi thông tin giữa các tác tử. Ví dụ như các ngôn
ngữ: KQML (Knowledge Query Manipulation Language) hay FIPA’s (Foundation
for Intelligent Physical Agents), ACL (Agent Communications Language)... Mỗi hệ
đa tác tử tự bản thân nó đều có khả năng tự tổ chức (self-oganization) và những
2.2. Hệ thống Vanet
11
hành động rất phức tạp, mặc dù mỗi tác tử cá thể thường có chiến lược rất đơn
giản.
2.2
Hệ thống Vanet
Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ sử dụng các xe di
chuyển như các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di động. VANET biến
mỗi xe tham gia giao thông thành một router hay một nút không dây, cho phép các
xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ 100 đến 300 mét,
từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng. Do các xe có thể đi ra khỏi vùng
phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những xe khác có thể tham gia, kết nối với
các phương tiện khác trên một mạng Internet di động được tạo nên. Trong thực tế,
hệ thống đầu tiên được tích hợp công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính cứu
hỏa nhằm liên lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảm
bảo an ninh trật tự.
Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tình
trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh
và cả những dịch vụ thông thường như đa phương tiện, Internet,. . .
Hình 2.2: Ví dụ minh họa về mạng VANET
Mục đích chính của VANET là cung cấp sự an toàn và thoải mái cho hành
khách. Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông
sẽ cung cấp kết nối mạng Adhoc cho các hành khách. Mạng này hướng đến hoạt
động mà không cần cấu trúc hạ tầng cho phép các liên lạc đơn giản. Mỗi thiết bị
hoạt động trong mạng VANET sẽ là một nút mạng có thể trực tiếp gửi nhận hoặc
làm trung gian trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây. Xét trường hợp
2.2. Hệ thống Vanet
12
xảy ra ca trạm giữa các phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ được gửi
đi thông qua mạng VANET tới các phương tiện tham gia giao thông, cùng với các
công cụ tiện ích để giúp đỡ việc giải quyết sự cố, đảm bảo an toàn cho các phương
tiện khác. Người tham gia giao thông cũng có thể kết nối Internet thông qua mạng
VANET, thậm chí có thể sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như trao đổi thông
tin hình ảnh, video, gọi điện video. Ngoài ra, thông qua mạng VANET, các phương
tiện tham gia giao thông có thể tự động thanh toán các cước phí như phí gửi xe, phí
cầu đường ... Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của
mạng MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và chia sẻ
đường truyền vô tuyến. Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là
ở chỗ: các node mạng (xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền
tín hiệu cho nhau. Vấn đề đặt ra là chúng ta cần tìm hiểu, đánh giá giao thức định
tuyến cho mạng VANET dựa trên kiến trúc mạng MANET để phù hợp với tính di
động của các node mạng trong mạng VANET.
VANET là một mạng có những đặc tính riêng, cơ bản nhất là nó không yêu cầu cơ
sở hạ tầng như các hệ thống vô tuyến khác: không cần Base Station như những hệ
thống di động khác nhau (GSM CDMA, 3G); không cần bộ Access Point để hỗ trợ
cho Wifi và Wimax. Về yếu tố khoảng cách, VANET có thể khắc phục được giới hạn
của truyền dẫn sóng vô tuyến nhờ vào các nút trung gian. Tuy nhiên, do giao tiếp
mà không cần cơ sở hạ tầng, lại dùng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên rất
nhiều khả năng bị “nghe trộm” hoặc là thông tin truyền đi có thể bị sai lệch. Trong
mạng việc truyền tin tức giao thông giữa các xe với nhau là rất quan trọng, điều đó
có thể có tác dụng tốt (nếu như thông tin được truyền đi phản ánh đứng tình hình
giao thông hoặc các sự cô trên giao lộ) nhưng cũng có thể gây ra những tác động
nguy hiểm khôn lường (nếu như thông tin do một xe truyền đi là không chính xác
hoặc sai lệch). Sở dĩ như vậy vì khi thiết kế mạng này, thường thì các thông tin sẽ
được phát quảng bá và được trung chuyển qua nhiều nút điều đó gây ra ảnh hưởng
như “phản ứng dây truyền”.
Các đặc điểm của mạng VANET
• Các node mạng di chuyển với tốc độ cao: Nếu hai xe di chuyển ngược chiều
với tốc độ 25m/s (90km/h) và phạm vi truyền dẫn khoảng 250m thì kết nối
giữa hai xe chỉ kéo dài khoảng 5s.
• Thường xuyên ngắt kết nối mạng: Như giả thiết nêu trên thì sau 5s hai chiếc
xe đã ngắt kết nối với nhau, để đảm bảo kết nối thông suốt thì chúng ta phải
2.3. Công cụ mô phỏng mạng VANET - VANETsim
13
thiết lập liên kết khác với xe gần đó. Trong các trường hợp ngắt kết nối như
vậy, đặc biệt trong khu vực mật độ xe thấp thì thường xuyên xảy ra việc ngắt
kết nối mạng, giải pháp là phải có các node mạng chuyển tiếp.
• Mô hình chuyển động và dự đoán: Chúng ta cần các thông tin về vị trí các
node và sự chuyển động của chúng, rất khó để đoán chuyển động của các xe.
Để kiến trúc mạng hoạt động hiệu quả chúng ta cần phải nghiên cứu mô hình
chuyển động và dự đoán chuyển động từ trước.
• Môi trường truyền thông tin: Mô hình các node (xe) chuyển động trên hệ
thống đường cao tốc, chuyển động một chiều điều này là dễ dự đoán được
nhưng cấu trúc đường phố, mật độ xe, tòa nhà, cây cối lại gây ra cản trở quá
trình truyền thông tin.
• Hạn chế trễ cứng: Các vấn đề an toàn (tai nạn, phanh xe,. . . ) của node mạng
phải thông báo đến các node mạng liên quan. Điều này đơn giản không thể
thỏa hiệp với trễ dữ liệu cứng trong vấn đề này. Do đó tốc độ dữ liệu cao không
là vấn đề quan trọng cho VANET như việc khắc phục các vấn đề về hạn chế
sự chậm của trễ cứng.
• Tương tác với onboard cảm biến: Cảm biến này sẽ giúp cung cấp các vị trí
nút và chuyển động của các node để sử dụng cho liên kết truyền thông hiệu
quả và mục đích định tuyến.
2.3
Công cụ mô phỏng mạng VANET - VANETsim
VANETsim1 là công cụ được Andreas Tomandl và các cộng sự giới thiệu trong [7]
theo hình 2.3. Đây là công cụ cho phép mô phỏng lại các khái niệm trong mạng
VANET. VANET là công cụ trực quan cho phép những nhà nghiên cứu đánh giá
phương pháp của họ và so sánh chất lượng với những nghiên cứu khác một cách hiểu
quả. Khác với những công cụ khác như Transim 2 , MATSim 3 hay SimTRAVEL 4
- những công cụ thiên về mô phỏng hệ thông giao thông dựa trên hệ thống tác tử
1
/> />3
/>4
/>2
2.3. Công cụ mô phỏng mạng VANET - VANETsim
14
thông minh, VANETsim là công cụ dễ dàng sửa đổi, thêm mới kịch bản hơn và cho
phép đặt ra nhiều kịch bản. VANETsim có những tính năng chính như sau:
Hình 2.3: Công cụ mô phỏng VANETsim
• Có tích hợp bộ tạo kịch bản, cho phép người nghiên cứu có thể lặp đi lặp lại
những thực nghiệm của mình với những tham số đầu vào khác nhau để đánh
giá chính xác hơn mà không cần phải thao tác nhiều.
• VANETsim cung cấp những cách thức mô phỏng gần giống nhất với thế giới
thực qua đấy đạt được những kết quả gần giống thực tế nhất. Công cụ này sử
dụng mô hình giao thông micro-traffic để mô phỏng lại các quyết định lái xe
của từng phương tiện.
• VANETsim sử dụng bản đồ từ OpenStreetMap 5 để tạo bản đồ, do vậy việc
lấy bản đồ chi tiết cho từng thành phố không phải là rào cản lớn cho những
nhà nghiên cứu.
• VANETsim cho phép làm thực nghiệm với số lượng lớn phương tiện giả lập
lên tới 16000 phương tiện và mạng lưới giao thông lớn.
• Công cụ này hỗ trợ chạy trên hệ thống đơn lẻ như desktop đến những hệ thống
sử dụng nhiều bộ vi xử lý.
• VANETsim hỗ trợ đồ họa, tạo sự thuận tiện cho những nhà nghiên cứu có thể
phân tích lỗi trong các thực nghiệm của mình.
5
2.3. Công cụ mô phỏng mạng VANET - VANETsim
15
Ngoài những ưu điểm ở trên, VANETsim là công cụ được viết trên nền Java và
không yêu cầu quá nhiều bộ nhớ khi chạy. VANETsim cũng cung cấp tài liệu phát
triển đầy đủ cho những nhà nghiên cứu muốn sửa đổi sâu hơn vào hệ thống. Trong
luận văn này chúng tôi chủ yếu sử dụng VANETsim như một công cụ mô phỏng
hệ thống giao thông và tiến hành nghiên cứu về những thuật toán tìm đường dưới
những điều kiện giả định trên công cụ này.
Chương 3
Các giải thuật tìm đường
Phần này chúng tôi sẽ trình bày những giải thuật cơ bản trong tìm kiếm đường đi
trên đồ thị và thuật toán ant colony được chúng tôi áp dụng vào hệ thống Vannet.
3.1
3.1.1
Những thuật toán cơ bản
Giải thuật Djkstra
Giải thuật Dijsktra là giải thuật tìm đường đi ngắn nhất giữa các điểm trong đồ
thị. Giải thuật này được Edsger W. Dijkstra đưa ra vào năm 1956 và được công bố
trong năm 1959. Giải thuật này tồn tại dưới nhiều biến thể, thuật toán nguyên bản
của Dijkstra đưa ra để tìm đường đi ngắn nhất giữa hai điểm trong đồ thị, nhưng
một biến thể phổ biến thay đổi một đỉnh đơn như là đỉnh nguồn và tìm kiếm tất
cả các đường đi ngắn nhất từ đỉnh nguồn tới các đỉnh khác trong đồ thị gọi là cây
đường đi ngắn nhất.
Bài toán được đặt ra như sau: Cho một đồ thị có hướng G=(V, E), một hàm
trọng số w : E −→ [0, ∞ ) và một đỉnh nguồn s. Cần tính toán được đường đi
ngắn nhất từ đỉnh nguồn s đến mỗi đỉnh của đồ thị. Ví dụ: Chúng ta dùng đỉnh
của đồ thị để mô tả các điểm giao cắt trên đường ở một thành phố. Chúng ta cần
di chuyển từ điểm s tới điểm t trong một thành phố. Thuật toán Dijkstra sẽ giúp
chúng ta tìm được cây đường đi ngắn nhất từ điểm s tới mọi điểm trong thành phố
và qua đấy biết được đường đi ngắn nhất từ s tới t.
Thuật toán Dijkstra được mô tả dưới đây theo [2].
16
